基于变时隙的潜艇短波隐蔽通信新技术∗

潘 兵（北京圣非凡电子系统技术开发有限公司北京102209）

基于变时隙的潜艇短波隐蔽通信新技术∗

潘 兵
（北京圣非凡电子系统技术开发有限公司北京102209）

为适应新形势下的复杂海战场电磁环境，我军需要突破传统的潜艇隐蔽通信体制，必须寻求新型隐蔽通信体制。为此，提出了一种基于变时隙（Varilab Time Slot，VTS）的抗侦察抗截获通信新技术。拟采用线性调频信号作为脉冲信号，发端每次瞬间发送一个窄脉冲宽带信号（例如信号暴露时间£0.5ms），发送N个窄脉冲代表一个数据，解决了接收端在极短猝发时间内同步解调难的难题。开创了潜艇短波隐蔽通信信号设计的新思路，通过设计窄脉冲宽带的低截获概率信号，使得敌方难以捕获信号，同时通过设计发射信号脉冲时隙具有不确定性的特征，使得敌方的准确捕获定位困难，达到防定位的目的，从而实现潜艇隐蔽通信。

变时隙；隐蔽通信；抗侦察；抗截获

ClassNumber TN92

1 引言

目前，潜艇对外发信主要是短波和卫星通信方式［1］，采用猝发方式以期提高发信隐蔽性是普遍采用的一种技术手段［2］。但是对短波通信而言，方向性差，猝发时间长，调谐时间较长［3］，为实现远距离通信发射功率大且信号全向辐射，已经很不安全。以美国为首的敌对力量在我周边部署了天、空、岸、海等快速、立体、多维的对潜通信侦察体系，可对我国潜艇的短波通信进行全方位侦察。而天基、岸基和水面舰艇对潜艇无线电通信侦察的威胁是主要的，可对毫秒级的短波猝发信号进行侦察截获，对我潜艇的安全性构成巨大威胁。为此，需要研究新型的抗侦察抗截获性能好的潜艇短波隐蔽通信技术以对抗敌对威胁。

2 变时隙隐蔽通信思路

根据国内外潜艇短波隐蔽通信及通信对抗发展现状，本文拟定0.5ms的通信信号猝发时间，是指发端每次瞬间发送一个窄脉冲信号，以发送5个窄脉冲代表一个数据信息，回避了接收端同步难的难题。0.5ms的猝发信号暴露时间已经超出了敌方侦察截获的极限范围［4］，敌方对0.5ms的潜-岸短波猝发信号无法进行有效侦察、截获、测向、定位、干扰等一系列处理（若敌方侦测系统收到的短波信号SNR较低时，更难侦察截获），从而消除或大幅降低对我军遂行军事活动的安全威胁。

猝发传输由于发射短促，一方面可以使用较大的脉冲功率，在功率战方面，对干扰方来说，通信方有明显优势；另一方面，由于信号在空间暴露时间极短而大大降低了被侦听的概率。因此设计的猝发信号兼有猝发通信和扩频通信的优点，是两者完美的结合［5］。这种结合使系统具有很强的抗侦察、抗截获和抗干扰能力。但这种方式在大容量连续通信中不适用，适合特殊应用需求，如本文研究的潜-岸短波隐蔽通信。

如图1所示为窄脉冲信号示意图，为方便理解假定通常脉冲串之间时隙等间隔。

设计时脉冲串峰值功率可设定为较大（SNR> 0dB），脉冲宽度拟定为0.5ms，脉冲重复频率为10个/秒，在1s时间内相邻脉冲的时隙平均值为110.56ms。

图2所示为变时隙测试方框简图。

由于发射脉冲较窄（0.5ms），故能将各条主径来的脉冲信号分开，因此只需对接收的主径信号进行测峰值时间［6］。

3 变时隙通信设计

3.1 变时隙通信方案

经研究，发射窄脉冲串拟采用线性调频信号作为窄脉冲进行发射为宜，设计中心频率fc=64KHz，脉冲时宽T=0.5ms，信号带宽B=128KHz。

图3为窄脉冲和匹配后的时域和频域波形图，可以看出窄脉冲波形与本地脉冲波形经过匹配滤波后，形成一个尖锐的相关峰，该峰值便于接收端提取峰值信息并同时确定该时刻信息，依次解出4个时刻信息即可确定当前5个窄脉冲代表的数据信息。

发射时，将中心频率为64KHz的窄脉冲信号调制到1.5MHz~30MHz短波段［7］，采用“定频”定向发射（通常按照昼夜时间约定收发短波频率），接收时根据预先已知的“定频”频率，调整本振，将射频信号搬移至基带，然后经高精度AD采样，采用FPGA进行前端预处理，后续采用先进的DSP进行数字信号处理并及时解调出当前发送的数据信息，图4为整体设计结构框图。

发射脉冲时使用软件定义的随机时隙，依次发送5个脉冲（代表数据0-F）。接收机收到Chirp脉冲后，通过脉冲压缩即可检测相关峰［8］，每检测一个相关峰后，同时记录相关峰时间，将5个相关峰全部接受完毕后，从而得出5个峰值之间的4个时隙，再从时隙表中查找出对应的数据（0-F），即可恢复原始信息。

3.2 变时隙通信设计

本文设计的潜艇短波VTS隐蔽通信系统信号处理流程如图5所示。

为进一步提高收信可靠性，可采用海上潜艇一点发信，岸上多点接收（空间分集）［9］，另外还可以采用时间分集发送，每个数据发送N遍，岸上同样多点接收，解调时间约增加N倍，达到多维分集处理效果。

定最大约500ms发4bit有用信息，相邻脉冲时隙平均间隔约124ms，信息速率约为8bps，依然满足短波最低限度保障通信要求。

从信息速率上看，通信有效性低，但隐蔽性提高了，这是以有效性换取可靠性为代价的，这时候其他通信手段可能会被敌方侦察、截获、测向、定位等，但新型隐蔽通信方式可更安全通信，将重要信息传递指挥所，使其有效指挥作战，提升整体作战效能。

收信时，检测5个脉冲的不同时隙，根据预先存储16张时隙表可解调出发送的数据信息，表1所示为时隙表。由表1可知脉冲时隙1模式，若长期使用，容易被敌方发现规律和破解信息，具体使用时可将该最简模式删去，只保留其余4095种模式，表1中的脉冲时隙2为随机时隙模式。

表1 时隙表

随机时隙模式增大敌方发现规律和解析信息。若采用全部排列组合方式最多可达65536种，每个数据均有4096种时隙代表，采用伪随机方式选择其中一种，可采用m序列确定，由于m序列初始寄存器不能全为0，因此，12位移位寄存器最多可确定4095个1~4095范围内的随机数据，在此可以将特殊时隙（4个时隙均相同）去掉，每个数据（0~F）均有4095种时隙代表。

具体实现时可创建16张时隙表（16进制数0~F对应的查找表），图6为发送端简化过程图。发送数据时，从发送寄存器中取一个数据（0~F）时，同时从4095种随机时隙选其一进行时隙映射、基带调制、射频调制、天线辐射等，每次发送5个chirp脉冲。

16张表，每张表对应一个数据（0~F），可以预先用FPGA的内部ROM存储器进行存储，每张表4095个时隙组合。

表2为数据0对应的表1，共计4095种不同时隙组合代表十六进制数0，1~F对应的表依次类推。

表2 数据0对应表1

发送数据时每来一个数据（0~F）时，从查找表中随机选择一个时隙（如72 64 64 64），依次发送窄脉冲，可通过计数器依次发送窄脉冲波形（时宽0.5ms）。

图7为产生1~4095的随机数框图，它是通过m序列设计的，还可以拓展其他序列，如Gold序列、Kasami序列、混沌序列等可进一步增强序列的伪随机性。

3.3 变时隙通信可行性分析

短波通信环境恶劣，设计时避不开多普勒频移、多径时延、多径衰落等分析和论证。据统计，短波信道中2～4条路径约占85%，3条最多，2条、4条次之，5条以上可以忽略［10］。

在此分析多普勒频移对接收端的匹配滤波影响（不考虑多径时延影响），以常用短波最大频偏±75Hz为例［11］，图8为接收机收到的窄脉冲无频偏和频偏±75Hz的匹配输出结果图。

从图8可以看出即使在-3dB信噪比下，考虑短波最大的频率偏移情况也几乎无影响。

短波多径时延在0.5ms~5ms占据99.5%以上，而多径个数3条最多，本文以典型时延和路径个数为参数。

取典型路径3条，典型时延2.5ms，由于发射脉冲较窄（£0.5ms），接收端能将各条主径来的脉冲信号分开，对接收的主径信号进行测峰值时刻，并且相邻脉冲峰值设计的间隔差为8ms，经过分析，此时几乎可忽略多径效应影响。

接收机需要快速捕获空中£0.5ms的窄脉冲信号，捕获后接收端拟采用1.024MHz采样频率采集0.5ms的Chirp信号，共计512个采样数据，对采样得到的512个数据与本地匹配滤波数据进行滑动相关运算，相关运算后数据增加为1023个，当滑动到理想情况时峰值脉冲时刻应在0.5ms时刻。

1）快速捕获

通过研究比较，滑动相关法是最简单、最实用的方法［12］。收信端将接收信号做滑动相关处理，当接收信号的相关度足够大时，判定信号的捕获；同时通过相关算法提取各窄脉冲数据波形的峰值信息。

相关处理虽然思路清晰，但运算量颇大。实际相关法捕获的实现如图9所示。

连续流入的解调数据，与参考的本地匹配序列（称为参考序列）相关后，相关值形成一条时域上具有尖锐峰值的连续曲线。

2）捕获能力

理论分析表明：信号的信噪比越高，对信号的捕获能力越强；窄脉冲的持续时间越长，对信号的捕获能力越强。仿真测试的数据举例如下：

（1）窄脉冲信号长度为0.5ms，信号的信噪比SNR=-10dB时，信号的捕获概率大于99%；

（2）窄脉冲信号长度每提高一倍，获得相同的信号的捕获概率，对信号的信噪比要求降低约3dB。

由此可见，加长窄脉冲信号长度是提高信号捕获能力的有效办法。加长窄脉冲时宽带来了处理的运算量的提高和隐蔽性能的下降，因此窄脉冲信号长度需做合适的选择，在此拟选定£0.5ms为宜。

下面依次分析有无高斯白噪声情况和有无偏移情况的相关运算，理想情况下接收采集的序列与本地序列完全匹配，仅有一个相关峰并且峰值最大。

无高斯白噪声情况：相关峰比较干净。

如图11所示，当接收机捕获的信号还未进入滑动相关时，即没有进入相关处理的窄脉冲数据，此时相关值均为0，进入32个数据和64个数据时，均未见明显相关峰值，当进入的数据大于64个时，具有明显相关的相关峰值。

下面分别给出不同信噪比SNR情况下的相关峰值。

SNR=0dB时，有明显的相关峰！

SNR=-6dB时，依然具有一定的相关峰！

以上全部采取0.5ms数据渐进式进入滑动相关处理的输出结果图。分析可知当信噪比为0dB~ 3dB时，即使存在多径效应，对采集的数据进行相关处理可以确定峰值及当前峰值的时刻信息。

从图10~图12中可以看出当采集的数据进入一半（256个）数据时，其余256个数据未进入，此时有一半数据为高斯白噪声，即错位一半情况，时间偏差大约为0.25ms，若收发端同时出现上述两种极端情况，即最大时间偏差约为0.5ms。而当信号全部没有采集到，此时相当于无窄脉冲数据的情况，也就是说此时是最差的情况，但这种情况出现可能性不大（只有接收的数据全部出现深度衰落，当然也存在这种情况，此时采用分集接收方法提高收信可信度），当采取进入滑动一半数据做判断处理可提高处理速度，但为了使接收的可信度更高，可以将采集的数据（数据长度1.5ms，有效的数据为0.5ms，其余的均为噪声）依次滑动0.5ms~1.5ms，当出现的峰值数据>250时，此时的定时信息最佳，记录当前时刻信息，后续脉冲串数据同样可以进行类似处理，当前后脉冲的定时信息有前后挪动0.5ms的偏差，总计偏差1ms时刻，而预先设计的8ms时隙间隔，对其构成不了太大误差，只要接收端匹配滤波输出相邻时隙差限制±1ms内，均可正确判决，例如两个相邻脉冲间隔若为63ms~65ms内，均可认为时隙值为64ms。

此外，借鉴经典莫尔斯码思想，可形成二维变时宽-变时隙猝发通信技术。

例如设T=［200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900］us

从17种时宽中选择4个进行组合，可重复选。共有17×17×17×17=83521种组合方式，接收时需要同时检测窄脉冲时宽和时隙，从通信的安全角度看，这时候的通信抗侦察抗截获能力将显著提升，从工程实现角度看较定时宽脉冲实现更难。

例如每次发4个脉冲，4个脉冲相邻间隔100ms~300ms之间随机时隙，为使接收端区别相邻数据，相邻的两个4个脉冲间隔³1s，以达到数据同步目的。

4 结语

本文针对当前潜艇短波隐蔽通信及敌方通信侦察的发展现状，提出一种基于变时隙的短波隐蔽通信新技术，它比一般的跳时扩频和单一猝发通信系统具有更强的抗侦察抗截获能力，作为一种新隐蔽通信体制，只是进行了基本的原理理论分析，其抗侦察抗截获问题还需要进行定量研究，在工程实现中还有许多要考虑的问题，如核心难题的是对极短时间内的短波猝发信号进行有效的检测问题还要有待研究，随着对极窄脉冲的短波信号检测技术不断深入研究，未来可以将新的隐蔽体制工程实践化，丰富和完善我潜艇短波隐蔽通信体系。

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New Technology of Submarine HFCovert Comm unication Based on Variable Tim e Slot

PAN Bing
（Beijing Shengfeifan Electronic System Technology DevelopmentCo.，Ltd，Beijing 102209）

In order to adapt to the complex electromagnetic environment of the sea battlefield under the new situation，the traditional submarine covert communication system need to be broken through.For this reason，this paper proposes a new anti reconnaissance and anti interception communication technology based on variable time slot（VTS-Varilab Time Slot）.The LFM signal is a pulse signal，start every time sends a narrow pulse signal（such as broadband signal exposure time is less than 0.5ms），sends N narrow pulse to represent a data，solves the problem of receiving end in a short burst time synchronous demodulation difficult.A new idea of submarine covert communication shortwave signal design is created，by designing the low probability of intercept signal of narrow pulse broadband，it's difficult to capture signals for enemy，at the same time through the design of signal pulse slot has the characteristics of uncertainty，the enemy captured positioning is difficult，so the purpose of anti-positioning is achieved，and the security of the submarine communication is realized.

VTS，covertcommunication，anti-reconnaissance，anti-interception

TN92 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.013

2016年11月11日，

2016年12月24日

潘兵，男，硕士，工程师，研究方向：通信信号处理。